飛秒瞬態(tài)吸收光譜系統(tǒng)是如何工作的？
更新時間：2026-01-26
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飛秒瞬態(tài)吸收光譜系統(tǒng)是基于飛秒激光技術(shù)的超快光譜檢測設(shè)備，核心用于捕捉物質(zhì)在光激發(fā)后飛秒至微秒級的瞬態(tài)物種演化、電子態(tài)躍遷及光物理 / 光化學(xué)過程，是研究材料光響應(yīng)、光催化、生物分子光反應(yīng)等超快過程的核心儀器，其工作圍繞飛秒激光脈沖分束、樣品光激發(fā)、瞬態(tài)吸收信號探測、數(shù)據(jù)采集分析四大核心環(huán)節(jié)展開，整體為泵浦 - 探測（Pump-Probe）技術(shù)架構(gòu)，具體工作原理如下：
- 飛秒激光源與脈沖分束：系統(tǒng)核心為飛秒鈦藍(lán)寶石激光器，輸出脈寬≤100fs、重復(fù)頻率 kHz 級的超短激光脈沖，經(jīng)分束器分為兩束：一束為泵浦光（能量高、光強強），作為激發(fā)源用于將樣品從基態(tài)激發(fā)至激發(fā)態(tài)，產(chǎn)生瞬態(tài)激發(fā)物種；另一束為探測光（能量低、光強弱），作為探測源用于檢測激發(fā)后樣品的吸收光譜變化，兩束光保持嚴(yán)格的時間同步性。
- 樣品光激發(fā)與時間延遲調(diào)控：泵浦光經(jīng)光學(xué)光路聚焦后照射到樣品池中的待測樣品（可為溶液、薄膜、晶體等），瞬間將樣品中部分分子 / 原子激發(fā)，形成激發(fā)態(tài)、自由載流子、激子等瞬態(tài)物種，使樣品處于非平衡態(tài)。系統(tǒng)通過光學(xué)延遲線精準(zhǔn)調(diào)控泵浦光與探測光到達(dá)樣品的時間差，延遲范圍覆蓋飛秒到微秒級，實現(xiàn)對不同時間尺度瞬態(tài)過程的逐點探測。
- 瞬態(tài)吸收信號探測：探測光經(jīng)單色儀分光后變?yōu)閷挷ǘ芜B續(xù)光（通常覆蓋紫外 - 可見 - 近紅外區(qū)域），以垂直于泵浦光的方向穿過樣品被激發(fā)的區(qū)域?；鶓B(tài)樣品對探測光的吸收為固定本底，而激發(fā)態(tài)樣品會因瞬態(tài)物種的生成，對特定波段探測光產(chǎn)生吸收增強或漂白（吸收減弱），同時可能伴隨受激發(fā)射信號，這些光譜變化即為瞬態(tài)吸收信號。探測光穿過樣品后，由高靈敏度陣列探測器（如 CCD、InGaAs 探測器）捕捉其光強變化，轉(zhuǎn)化為電信號。
- 信號采集與數(shù)據(jù)處理：探測器將采集到的光強信號傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)同步采集 “有泵浦光” 和 “無泵浦光” 狀態(tài)下的探測光光譜，通過兩者的差值計算得到瞬態(tài)吸收光譜。結(jié)合光學(xué)延遲線的時間延遲量，系統(tǒng)在不同延遲時間下采集對應(yīng)的瞬態(tài)吸收光譜，最終獲得時間分辨瞬態(tài)吸收光譜，即光譜隨時間演化的二維數(shù)據(jù)。
- 數(shù)據(jù)解析與過程分析：通過對時間分辨瞬態(tài)吸收光譜的解析，可從光譜峰位、峰強、半寬及隨時間的變化規(guī)律，確定瞬態(tài)物種的種類、濃度演化、壽命及相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，進(jìn)而推導(dǎo)樣品在光激發(fā)后的超快光物理過程（如載流子弛豫、激發(fā)態(tài)弛豫）或光化學(xué)反應(yīng)（如中間體生成、化學(xué)鍵斷裂）。
整個系統(tǒng)依托超短激光脈沖、高精度時間延遲和高靈敏度探測，實現(xiàn)了對超快瞬態(tài)過程的 “時間分辨” 和 “光譜分辨” 雙重檢測，其核心優(yōu)勢是時間分辨率可達(dá)飛秒級，能捕捉到分子運動、電子躍遷等微觀超快過程的細(xì)節(jié)。
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